Чудовища доктора Эйнштейна. О чёрных дырах, больших и малых

Первым лабораторным тестом общей теории относительности стал эксперимент Роберта Паунда и его аспиранта Глена Ребки в 1959 г. Они измерили спектральный сдвиг гамма-излучения радиоактивного железа, поднятого на 22,5-метровую башню в кампусе Гарварда. Ничтожная потеря энергии – менее трех долей из 10¹⁵ – подтвердила предсказание общей теории относительности с точностью 10 % (илл. 47)[276]. Эксперимент был усовершенствован, когда для проверки влияния гравитации использовали атомные часы. В 1971 г. цезиевые атомные часы, которые были взяты в полет на большой высоте на гражданском реактивном самолете, ушли вперед на 273 наносекунды в сравнении с такими же часами в Вашингтонской военно-морской обсерватории

[277], а в 1980 г. в ходе еще более точного теста с лазерными часами, находившимися в летящей ракете, соответствие теории увеличилось до 0,007 %[278]. Сегодняшние продвинутые технологии позволяют измерять квантовую интерференцию атомов. Общая теория относительности подтверждается с феноменальной точностью – менее одной миллионной доли процента[279]

. Мы можем доказать, что часы действительно идут быстрее, если поднять их меньше чем на метр!

Астрономы не остались в стороне. Скопления галактик являются самыми массивными объектами во Вселенной. Фотоны из центра скопления с большим количеством галактик должны терять больше энергии, чем фотоны с окраины, где галактик меньше. Группа под руководством Радека Войтака из Института Нильса Бора искала этот эффект – настолько слабый, что для его обнаружения пришлось объединить данные 8000 скоплений[280]. Теория Эйнштейна снова подтвердилась.

На хороший умозрительный эксперимент люди обычно реагируют словами: «Ну конечно, это же очевидно!» Вспомним отзыв английского биолога Томаса Гексли на теорию естественного отбора Дарвина: «Какая невероятная глупость не подумать об этом!»[281] Мысленные эксперименты Эйнштейна с лифтами раскрыли красоту общей теории относительности. Свободное падение лифта в направлении Земли аналогично ситуации парения лифта в открытом космосе ввиду отсутствия силы гравитации. Лифт, разогнанный в космосе до 9,8 м/с, аналогичен лифту, стоящему на Земле, потому что ускорение, создаваемое гравитацией, невозможно отличить от ускорения, созданного любой другой силой. Во втором случае представьте, что светите прожектором через лифт. За крохотный промежуток времени, необходимый свету, чтобы достичь противоположной стороны кабины, лифт ускоряется, и свет двигается через него по нисходящему криволинейному пути. Согласно теории Эйнштейна, то же самое должно происходить с неподвижным лифтом на земной поверхности. Свет «падает» из-за гравитации. То есть в терминах теории относительности масса Земли искривляет пространство, и свет немного отклоняется, следуя возле Земли искривленному пространственно-временному континууму.

Мы описали «классические» проверки общей теории относительности. Они используют ситуации с настолько слабой гравитацией, что искривление пространственно-временного континуума и искажение – малы, и потому требуются исключительно точные измерения. Около 50 лет назад Ирвин Шапиро, долгое время возглавлявший Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики, предложил оригинальный способ проверки теории в условиях слабой гравитации. Он понял: если путь фотонов лежит мимо Солнца, то во времени прохождения сигналов радара, отражающихся от других планет, до цели и обратно должна быть маленькая задержка. Измерив сигналы радара, отраженные от Меркурия и Венеры, до и после того, как их заслонило Солнце, он подтвердил общую теорию относительности на уровне 5 %[282]

. Этот эксперимент был повторен во внешней Солнечной системе зондом NASA «Кассини» с соответствием 0,002 %[283].

Эти тесты подтверждают общую теорию относительности и ее превосходство над теорией Ньютона. Однако проверка теории относительности там, где пространство плоско, как кукурузные поля Айовы, оставило ощущение легкой неудовлетворенности. Это сродни тест-драйву «Ламборджини» на парковке. Разумеется, он поедет лучше вашего старого «Форда Таурус», но это явное занижение планки. Гораздо лучше промчаться за рулем по горной трассе: вы почувствуете, как резво «Ламборджини» штурмует склоны и вписывается в повороты, а «Таурус» перегреется и съедет на обочину. Астрономы надеются когда-нибудь проверить эту теорию на настоящих черных дырах: излучение обещает быть зрелищным. Из следующего раздела мы узнаем, как спектроскопия аккреционного диска позволила обнаружить сильное гравитационное красное смещение.

По ту сторону железного занавеса